第29卷第5期吉林建筑工程學院學報012年10月Journal of Jilin Institute of Architecture Civil EngineeringOct.2012民用燃具對天然氣轉換的適應性趙磊(吉林建筑工程學院市政與環(huán)境工程學院,長春130118)摘要:采用華白數(shù)與韋弗指數(shù)相結合的方法判斷燃氣互換性,計算轉換天然氣后燃具的噴嘴直徑和一次空氣系數(shù),分析了燃具轉換天然氣后的燃燒特性關鍵詞:互換性;華白數(shù);韋弗指數(shù);燃具;燃燒特性中圖分類號:TU996文獻標志碼:A文章編號:1009-0185(2012)05-0023-04The Adaptability of Gas Range in Natural Gas ConversionZHAO LeiSchool of Municipal and Environmental Engineering, Jilin Institute of Architecture and Civil Engineering Institute,Changchun, China 130118)Abstract: Use the method which wobbe index and weaver index unifies to judg the gas interchangeability. By calculating the nozzle diameter and primary air factor of the gas range should be adjusted to convert natural gas, and com-bustion characteristics after the conversion of natural gas are analyzedKeywords: interchangeability; wobbe index; weaver index; burmer; combustion characteristics天然氣作為一種高效、清潔的能源已在世界各國和我國的許多地區(qū)得到廣泛地應用吉林省燃氣由人工煤氣起步,歷經(jīng)80余年的發(fā)展,已形成多種氣源并存的格局.隨著省內(nèi)天然氣勘探開發(fā)規(guī)模的加大,各地正在或將要開展天然氣轉換的工作不同氣源成分不同,灶具的額定壓力不同,如果轉換天然氣后同一燃具仍能保證有相近的熱負荷,火焰穩(wěn)定,燃燒完全,點火可靠,就說明天然氣與原有氣源具有互換性.否則不具有互換性,需要對燃具進行調整或改造互換性的判斷判斷燃氣是否具有互換性的方法很多,基本上是在試驗的基礎上得到的判定指數(shù).華白數(shù)是簡單而有效的判定指標,通常兩種燃氣互換時華白數(shù)的變化不能大于±10%.但華白數(shù)只能反映熱負荷的變化,無法描述燃燒現(xiàn)象,可以采用A.C.A指數(shù)或韋弗指數(shù)進行補充A.C.A指數(shù)包括脫火指數(shù)、回火指數(shù)、黃焰指數(shù);韋弗指數(shù)包括熱負荷指數(shù)、引射指數(shù)脫火指數(shù)、回火指數(shù)、CO生成指數(shù)后者比前者更全面、更嚴格.下面采用華白數(shù)與韋弗指數(shù)相結合的方法,對吉林省內(nèi)現(xiàn)有燃氣氣源與天然氣的互換性進行判斷(1)華白數(shù)式中,W為華白數(shù);H為燃氣的熱值,MJ/Nm3;s為燃氣的相對密度(2)熱負荷指數(shù)HJ=玩√式中,J為熱負荷指數(shù);下標。為基準氣;下標,為置換氣中國煤化工CNMHG收稿日期:2012-07-18作者簡介:趙磊(1969~),女,吉林省長春市人,高級工程師24吉林建筑工程學院學報第29卷(3)引射空氣指數(shù)1(3式中,J為引射空氣指數(shù);V為理論空氣量,m3/m3.(4)回火指數(shù)D1.4JA+0.4D(4)式中,J為引射空氣指數(shù);D為火焰?zhèn)鞑ニ俣戎笖?shù),m3/m3(5)脫火指數(shù)1J=J..D.1D()a式中,J為引射空氣指數(shù);y(為燃氣中氧氣的體積分數(shù)(6)CO生成指數(shù)1=1-0.366-0634式中,J為CO生成指數(shù);R為燃氣中氫原子數(shù)與碳原子數(shù)的比值(7)黃焰指數(shù)1N. -NJr =ja+110式中,Jy為黃焰指數(shù);N為每100個燃氣分子燃燒時析出的碳原子數(shù)目前,吉林省內(nèi)的主要氣源有人工煤氣,如長春通化;液化石油氣摻混空氣,如梅河口、延吉,這兩個城市采用的液化石油氣與空氣的混氣比例分別是1:2.7和1:1;天然氣和液化石油氣等表1、表2為0℃101.325kPa下各氣源的組成及燃燒特性,表1中天然氣采用長嶺天然氣組分,人工煤氣采用長春市焦爐煤氣組分表1七氣源的組分氣源名稱組分(容積%)H2 CH4 C2H C,Hg C4Ho Cs Hn N, 0, Co2 CO SH,液化石油氣人工煤氣59.525.52.23.590.42.4160.4液化石油氣混空LPG:AIR=1:2.7)7.71858.715液化石油氣混空(LPG:AIR=1:1)39.510.5天然氣0.310.130.10.421.17表2各氣源的燃燒特性氣源名稱液化石油氣人工煤氣液化石油氣混空液化石油氣混空天然氣(LPG: AIR =1: 2.7) ( LPG: AIR=1: 1)燃氣類別20Y7R12T低熱值H2(MJ·m3)114.5317.8429.4436.31高熱值H4/(MJ·m-3)31.89相對比重s理論空氣量v/(m3·m-3)華白數(shù)W/(M·m-3)燃燒勢CP122.8639.59額定工作壓力/Pa2000燃燒速度Sm/(0.390.37黃焰界限0.510.140.490.23通過華白數(shù)進行判定,除了液化石油氣混空氣(混氣比為1:1)的華白數(shù)符合要求外,其它氣源與天然氣均不具有互換性,即燃具需要調整和改造.以液化石油氣混空氣(混1作其難氣,天然氣作為置換氣,計算韋弗指數(shù)進一步進行判斷,韋弗指數(shù)計算結果見表3中國煤化工從表3可以看出CO生成指數(shù)不合格,而且引射指數(shù)大于1,說CNMHG向增加了這是因為燃具熱負荷與華白數(shù)成正比,一次空氣系數(shù)與華白數(shù)成反比,因此,轉換天然氣后,燃具熱負荷增大,第5期趙磊:民用燃具對天然氣轉換的適應性次空氣系數(shù)減小,這兩個因素都會使得燃具運行時,不完全燃燒的可能性增加此外,由于天然氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊腿紵龝r火焰拉長,也使產(chǎn)生不完全燃燒的可能性增加,即煙氣中CO的含量會有所提高表3韋弗指數(shù)計算結果指數(shù)名稱熱負荷因數(shù)引射因數(shù)回火指數(shù)脫火指數(shù)CO生成指數(shù)黃焰指數(shù)計算值0.260.110.09允許值0.95-1.0<0.08>0.6<0.142燃燒器的調整和改造民用燃具基本上采用大氣式燃燒器,主要組成部分為燃燒器,包括引射器、噴嘴、燃燒室及火蓋.通常燃燒器經(jīng)過調整或改造,可適合天然氣的正常燃燒(1)燃氣噴嘴燃具熱負荷與噴嘴直徑存在以下關系(:g=0.0035d,2式中,Q為燃具熱負荷,MJ/h;d為噴嘴直徑,mm;H1為燃氣低熱值MJ/m3;為噴嘴流量系數(shù),取0.8;P為燃具的額定工作壓力(Pa).以熱負荷3.0kW(10.8MJ/h)計算各氣源噴嘴直徑:液化石油氣為0.94mm,人工煤氣為2.0mm,液化石油氣混空氣(混氣比為1:2.7)為1.80,液化石油氣混空氣(混氣比為1:1)為1.35天然氣為1.35.從以上數(shù)據(jù)可以看出,人工煤氣與天然氣相差最大,液化石油氣混空氣(1:1)與天然氣幾乎相等.因此,天然氣轉換后,除了液化石油氣混空氣(混氣比為1:1),其它氣源的燃氣噴嘴均應更換(2)引射器如果氣源轉換后,燃具的引射器及頭部不做任何改變,即喉管面積F火孔總面積F、引射器及頭部的能量損失系數(shù)K,K1及噴嘴的流量系數(shù)μ不變,燃燒器的常數(shù)C值將保持不變.常數(shù)C計算公式Ln(1+u)(1+us)s0.92FCK+K,FIFF(11)式中,L為燃氣流量,m/h;s為燃氣相對密度;P為燃氣壓力,Pa;u為引射器質量引射系數(shù)即空氣的質量流量與燃氣的質量流量之比;F為喉管面積,mm2;F為火孔總面積,mm2;F1為燃燒器參數(shù);K為引射器能量損失系數(shù);K1為頭部能量損失系數(shù);μ為噴嘴的流量系數(shù).常數(shù)C與燃燒器的幾何尺寸及阻力特性有關,而與噴嘴的直徑無關計算轉換天然氣后的一次空氣系數(shù)如下:液化石油氣為0.72,人工煤氣為0.56,液化石油氣混空氣(混氣比為1:2.7)為0.45,液化石油氣混空氣(混氣比為1:1)為0.5,均符合一次空氣系數(shù)范圍為0.45~0.75的要求3燃燒特性分析燃具的運行工況取決于燃氣的燃燒特性、火孔熱強度和一次空氣系數(shù)通常以一次空氣系數(shù)為橫坐標火孔熱強度為縱坐標繪制燃燒特性曲線圖.從圖1中可以看出,燃氣離焰、回火、黃焰和不完全燃燒的傾向性及燃具的工作運行范圍.只有當燃具的工作運行點落在特性曲線范圍之內(nèi)時,才能保證良好的燃燒工況因為液化石油氣混空氣的燃燒速度和黃焰極限一次空氣系數(shù)與液化石V凵中國煤化工化石油氣、人工煤氣、天然氣3種氣源CNMHG(1)回火傾向性.火焰?zhèn)鞑ニ俣仍娇?回火傾向性越大從表2可以看出人工煤氣和液化石油氣的燃燒速度均高于天然氣,因此人工煤氣和液化石油氣的回火曲線位置要比天然氣要高吉林建筑工程學院學報第29卷2)黃焰傾向性.燃氣中烴分子中C原子數(shù)越大,燃燒時越易析碳,形成黃焰.從表2也可看岀天然氣的黃焰極限一次空氣系數(shù)比液化氣小,比人工煤氣大(3)CO極限.民用燃具一般采用大氣式燃燒方式,火焰外錐高度的經(jīng)驗計算公式為h=0.86m199x103式中,h為火焰外錐高度,mm;n為火孔排數(shù);s為火孔間距修整系數(shù);f為單個火孔面積,mm2;q為火孔熱強度kW/m2;d為火孔直徑,m;n1為然氣性質對外錐高度的影響系數(shù)液化氣n1=1.08,天然氣n1=10,人工煤氣n1=0.5-0.78.燃具轉換天然氣后,保持熱負荷不變,火孔尺寸不變,外焰高度正比于系數(shù)n1,因此天然氣外焰高度比液化石油氣低,但比人工煤氣高在熱交換系統(tǒng)保持不變的前提下,高的火CD極限曲線1焰必然導致煙氣中的CO值偏大4)離焰傾向性.有關實驗及其得出的經(jīng)驗公式表明,在相同的火孔熱強度下,天然氣的離焰一次空氣系數(shù)比液化石油氣大,比人工煤氣小2.3種氣源燃燒特性見圖1般燃具初調試點位于4條燃燒特性曲線的中心轉換天然氣后,火孔熱強度不變,一次空氣系數(shù)經(jīng)調整后變化很小,所以調整后運行點位置變化也不大液化石油氣轉換天然氣后穩(wěn)定范圍擴大,不會出現(xiàn)回火、脫火、黃園火極限焰,排煙的CO含量增加等情況.而人工煤氣轉換天然氣情況有所不同,如0果初調點選擇不當,改用天然氣后可能出現(xiàn)脫火、黃焰,排煙中CO含量增一次空氣系數(shù)s加,但不會出現(xiàn)回火天然氣人工煤氣圖1不同氣源的燃燒特性曲線圖4結論燃具的燃燒器是按一定熱負荷、一定成分和壓力的燃氣(即基準氣)來設計的燃氣成分和壓力變化時,燃具的一次空氣系數(shù)、火焰結構、燃燒穩(wěn)定性、煙氣中CO含量等相應發(fā)生改變.不同氣源轉換天然氣后燃具應采取不同的改造和調整方法1)液化石油氣混空氣(混氣比為11)轉換天然氣后燃氣噴嘴不需改造,但一次空氣系數(shù)改變,不完全燃燒的可能性增加,即煙氣中CO的含量會有所提高(2)液化石油氣、液化石油氣混空氣(混氣比為12.7)及人工煤氣轉換天然氣后一次空氣系數(shù)改變,同時要更換燃氣噴嘴;(3)液化石油氣轉換天然氣后一般不會產(chǎn)生脫火、回火、黃焰、CO增加的現(xiàn)象.對于人工煤氣轉換天然氣,要注意基準氣燃具初調點的位置,避免發(fā)生脫火、黃焰、CO增加的現(xiàn)象本文只是定性分析了吉林省內(nèi)幾種典型氣源,由于氣源成分的不確定性及民用燃具的多樣性,所以實際轉換開始前,應進行大量實驗研究以保證轉換的順利進行參考文獻[]同濟大學,重慶大學哈爾濱工業(yè)大學北京建筑工程學院燃氣燃燒與應用(第四版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011:66226[2]姜正候燃氣工程技術手冊[M].上海同濟大學出版社,1998:276-278[3]李正偉段常貴聶廷哲天然氣轉換中LPG灶具改造的試驗研究[J].燃氣與熱力,2006,26(6):21-24[4]陳明楊慶泉,全惠君,錢磊華.天然氣轉換時有關燃具的問題與對策[J.上海HH中國煤化工CNMHG